生物成因煤层气研究现状及对存在相关问题的思考

刘建民 王保玉 田永东 白建平 李生奇 胡 斌

(1.晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 048006;2.河南理工大学资源环境学院，

河南 454000;3.晋城无烟煤矿业集团有限责任公司生物气化山西省重点实验室，山西 048006)

生物成因煤层气研究现状及对存在相关问题的思考

刘建民1，2，3王保玉1，3田永东1，3白建平1，3李生奇1，3胡 斌2

(1.晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 048006;2.河南理工大学资源环境学院，

河南 454000;3.晋城无烟煤矿业集团有限责任公司生物气化山西省重点实验室，山西 048006)

生物成因煤层气包括原生生物成因煤层气和次生生物成因煤层气。其中，次生生物成因煤层气是生物成因煤层气研究的重点，在主要产煤国有广泛的分布。本文主要综述以下几个方面的内容:煤阶镜质组反射率、甲烷碳氢同位素组成是划分煤层气类型的主要指标。生物成因煤层气的生成机理是重点研究内容，很多学者开展了利用微生物降解煤生成甲烷的实验研究，许多微生物及生物酶类被分离出来。研究煤降解过程的代谢物可进一步阐明生物成因煤层气的生成机理，同时，通过产甲烷菌基因工程，有望提高生物成因煤层气的产量。

生物成因煤层气 同位素 生成机理 代谢物 基因工程

煤层气有热成因和生物成因两种基本类型，生 物成因又可以进一步分为原生生物成因和次生生物成因。生物成因煤层气是地质环境在适宜的物理化学条件下经特殊的生物群生理代谢的产物，也是重要的能源资源，具有埋藏深度较浅、勘探开发成本低等特点。本文分析了生物成因煤层气的特征及分布，总结了目前对生物成因煤层气生成机理的研究进展情况，并对生物成因煤层气研究中遇到的问题及未来发展的方向做了论述。

1 生物成因煤层气的特征及分布

1.1 生物成因煤层气的特征

美国学者Scott等人首次提出次生生物成因甲烷，即次生生物成因气 (次生生物气)的概念。其生成机理是:成煤后因构造运动煤层被抬升到近地表，地表水携带细菌渗入煤层，煤化过程中产生的湿气、正烷烃及其它的有机物在微生物的作用下形成次生生物气。次生生物气的地球化学组成与原生气相似，其主要差别只在于基质煤具有较高的热演化程度 (0.3% ＜R0＜1.5%)，见表1。但有学者认为，当煤达到一定热演化程度 (R0＞1.5%)后不能或很难产生次生生物气。δ13C同位素和甲烷δD同位素是分析煤层气类型的重要参数，生物成因煤层气甲烷δ13C值一般介于-55‰～-90‰之间，δD值一般小于 -160‰，最轻可小于 -310‰。Flores等对粉河盆地165个煤层气样品的分析表明，其甲烷δ13C值介于-50‰～-83.37‰，δD 值在 -283.4‰与 -327.6‰之间，这些结论证明该盆地煤层气主要为次生生物成因气。我国淮南煤田煤层气 δ13C1值总体分布范围为 -56.7‰ ～-67.9‰，平均 -61.3‰，根据煤层气碳同位素值，可确定也有大量次生生物成因气的存在。

表1 生物成因和热成因煤层气阶段划分

1.2 生物成因煤层气的分布

目前，国内外对次生生物气的勘探已进行了较多的研究。Green等从粉河盆地钻进孔水样中分离出产甲烷的微生物，并证明粉河盆地煤层气主要为次生生物成因气。美国墨西哥湾盆地和黑勇士盆地都有大量生物成因气存在。对澳大利亚Sydney盆地和Bowen盆地二叠系煤层气的研究证实了这些盆地的煤层气主要为次生生物气。Faiz和Hendry的研究也发现在澳大利亚的烟煤中存在大量的次生生物气。Kotarba认为波兰Upper Silesian和Lublin盆地的煤层气也属次生生物气。Tao等研究了我国辛集矿区煤层气的组成，结果表明，煤层气中68.5%的甲烷是在微生物的作用下生成的，热成因煤层气甲烷仅占31.5%。此外，在我国西北部、大兴安岭以西的低煤阶地区有大量的生物成因煤层气储量。

2 生物成因煤层气生成机理研究现状

大量次生生物气藏的存在和发现，使生物成因煤层气的生成机理成为研究热点和重点内容。国内外对于原生生物成因煤层气的生成机理，基本上沿用传统天然生物气的生成理论，即经典的厌氧发酵理论。1993年，Zinder等又提出了四阶段发酵理论，即:第一阶段，复杂有机化合物受厌氧发酵细菌的作用，分解成为有机酸和醇;在第二阶段，产氢和产乙酸细菌把第一阶段产生的有机酸和醇进一步分解为H2、CO2、乙酸或者甲酸及相应的盐类;第三阶段和第四阶段生成甲烷，产甲烷菌通过活性H2将甲酸或者CO2转变为甲烷，或者利用乙酸产生甲烷和CO2，图1表示生物成因煤层气形成的四个阶段。因此，生物成因煤层气的形成是在很多种微生物的共同作用下形成的，包括水解性细菌、发酵细菌、纤维素分解菌、产氢产乙酸菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等微生物类群，复杂的有机质在以上微生物的作用下最终生成CH4和CO2。Conrad通过实验证明，复杂有机物经过微生物发酵形成乙酸盐、H2和CO2，其中以乙酸盐为底物产生的甲烷量大于67%，H2和CO2转化形成的甲烷量不足33%。

图1 厌氧条件下有机质转化为生物甲烷的代谢途径(图中编号代表生物转化的四阶段)

煤是由有机大分子相和小分子相组成的复杂混合物，其基本结构是以芳环、脂环和杂环为核心，周围带有侧链、官能团的缩合芳香体系。Gao等用二氯甲烷和甲醇提取了不同深度煤样中的脂肪烃和芳香烃等有机物质，并将这些物质作为生物降解的标志物和指数，从而判断不断深度煤层中生物降解可能性的大小。与一般的大分子有机物相比，微生物将煤分解的难度更大。如图2所示，微生物以煤为底物，将煤分子中的官能团或共价键切开，形成小的煤分子结构片段，这些小分子在一系列微生物胞外酶的作用下形成不同的中间产物，产物再通过氧化和发酵转化成产甲烷底物，经产甲烷菌利用后生成甲烷。因此，明确次生生物成因煤层气的形成机理，首先需要确定煤降解过程中的微生物类群，分析不同微生物对煤分子结构作用的方式，分析修饰或降解有机小分子的微生物酶类。目前，已有部分微生物和生物酶被发现，但要详细阐明微生物降解煤的机理，还有很多的工作需要深入研究。

图2 微生物分解煤形成各种碳氢化合物中间体和产甲烷底物模式图

虚线箭头表示煤分子中潜在的被切割位点。ABC代表厌氧苯羧化酶;ASS代表烷基琥珀酸盐合成酶;BSS代表琥珀酸苄酯合成酶;EBDH代表乙苯脱氢酶;MAS代表甲基琥珀酸合成酶;NMS代表萘二甲基琥珀酸合成酶;TUT代表甲苯利用酶。“?”表示起催化作用的酶未定义。

根据煤层次生生物气生成机理，Scott等提出了煤层甲烷微生物增采的观点:即向煤层中注入产甲烷微生物菌群及营养物质，通过生物降解煤、沥青质等产生甲烷，增加煤层中甲烷的绝对含量，从而提高煤层气开采量。因此，也可以在实验室条件下，模拟生物成因煤层气的产生过程，测定产气过程中微生物的群落特征，以及影响产气的相关因子。Orem等模拟地质环境条件，人为混合不同类型的微生物，在添加培养基的条件下，研究微生物对亚烟煤的分解和产甲烷能力，实验结果证明，一定量的醋酸盐可以增强生物生成甲烷的产量。Pfeiffer等的研究也证实了醋酸盐在微生物生成甲烷过程中起着激活剂的作用。

3 国内外对煤地质微生物的研究

3.1 国外对煤地质微生物研究发展趋势

国外对煤地质微生物的研究已经有30年的历史，对产甲烷菌的研究已经深入到分子化学水平，且更多关注煤层伴生水中产甲烷菌的研究。Michael等从粉河盆地煤层气井水样中富集培养获得了本源产甲烷菌，论证了该盆地含煤层甲烷的煤层中存在活性产甲烷菌群，且它们可以利用煤作为主要基质;并利用16S rRNA序列分析，确定了不同微生物之间的进化关系和同源性。Singh等收集了印度东部煤层气井 (600～700m)的煤层水，提取水样中总DNA后用古生菌和细菌的引物进行16S rRNA扩增，最后鉴定出有甲烷杆菌目和甲烷微菌目的微生物存在，这些微生物以H2和CO2为基质合成甲烷。同时，几乎没有消耗乙酸的甲烷球菌目微生物出现。荧光原位杂交 (fluorescence in situ hybridization，FISH)技术和16S rRNA焦磷酸测序在煤层水微生物的研究中也得到应用，对美国库克湾盆地 (Cook Inlet Basin)煤层水的实验结果表明，甲烷叶菌属和甲烷八叠球菌属是主要的古生菌类型，他们可以利用乙酸、CO2和甲基类化合物代谢生长。最丰富的细菌类群属厚壁菌门，其中醋酸杆菌属最多，属拟杆菌目的嗜纤维菌属、屈挠杆菌属和拟杆菌属所占的比例也较大。

3.2 国内对煤地质微生物研究的现状

国内对煤地质微生物的研究主要集中在厌氧细菌的计数、分离、富集培养和成气模拟实验等方面，并取得了一定的成果。刘洪林等从我国西北低煤阶煤层样品中分离产甲烷菌，并证实了在适宜的地质条件下，低煤阶煤层含有的产甲烷菌可以分解煤层产生甲烷气体。王红岩等在充分考虑煤层气的吸附、解吸特性的基础上，建立了具有独立知识产权的煤层气成藏模拟实验装置。王爱宽等采用厌氧培养方法，在云南省昭通褐煤样品中成功地培养富集了活性厌氧细菌，并进一步开展了为期60天的生物气生成模拟实验，分析了生物成因气的生成规律、物质组成和成因机制。苏现波等在实验室条件下研究了盐度、pH对煤层生物甲烷生成的影响，确定了最适产甲烷的pH为8，pH偏离8会导致CH4的生成量大幅减少。相对于pH，盐度对产甲烷的影响较小，但当盐度高于25g/L时，CH4的生成量也会大幅降低。对产甲烷菌群进行驯化也能提高生物成气的产量，林海等从厌氧污泥中富集出产甲烷菌群，通过以煤为碳源进行驯化，该菌群的产气能力得到显著提高。通过在培养基中添加乙酸钠，还能继续提高生物气的产量。

微生物生态研究方法和高通量测序技术的应用，为煤地质微生物的研究提供了新的手段，近几年国内学者利用这些新技术在煤地质微生物研究方面取得了创新性的成果。Guo等用454焦磷酸测序分析了鄂尔多斯盆地煤层气井水样中的微生物构成，共获得46598条序列，甲烷叶菌属在古生菌中占绝对优势比例，分别占水样和煤样微生物测序序列的81.18%和99%。细菌中变形菌门是主要的微生物类群，但它在水样和煤样微生物中所占的比例相似。对古生菌的16S rRNA测序分析，也证明在鄂尔多斯盆地煤层气水样中的产甲烷菌为甲烷叶菌属，用DGGE分析方法，可以判断产甲烷菌群在培养过程中发酵性细菌、硫酸盐还原菌和硝酸盐还原菌等微生物的变化情况。

4 发展生物成因煤层气存在的问题及分析

开展生物成因煤层气研究受到了国内外研究煤层气学者的广泛关注，但学术界对于生物成因煤层气的形成机理等认识仍然不足，人们更多是根据经典厌氧发酵理论和常规生物气生成方面的研究成果来认识煤层次生生物气的生成过程，分离煤层或煤层伴生水中的厌氧微生物并进行富集培养，对煤层的基础地质和有机地球化学特征研究较为薄弱，对煤层次生生物气生成过程中微生物学特征认识不足，对煤层次生生物气生成的影响因素了解和认识还不全面。因此，加强生物成因煤层气实验研究，需要综合地质学、化学、微生物学等多学科的理论和技术，全面分析生物成气的过程细节，具体体现在以下几个方面。

(1)学者对生物成气生成机理的煤岩地质和有机地球化学理论已进行较多研究，根据煤岩R0值和利用碳同位素鉴别生物气在一定程度上得到认可，但生物气碳同位素的特征范围较大，具体到某一煤田或矿区的煤层气碳同位素组成，往往与生物气碳同位素的特征范围有较大出入，因此，在地质和地球化学方面对煤层气成因的判断，还需要从煤层的形成时代，煤层所处的地质特点及水文特征进行分析。同时，加强生物成因煤层气新方法的开发，分析δ13C1、δ13C2、δ13CCO2值之间的关系，研究不同煤层气中这些数值的变化规律。

(2)甲烷中氢的来源可为判断生物成因煤层气生成途径提供参考，产甲烷菌底物不同，其生成甲烷中氢的来源也不同。在模拟实验中，可以用重水代替蒸馏水，通过生成气体中氢同位素的分析，研究生物气形成的具体途径。

(3)生物成因煤层气的形成机制是一个复杂的系统，深入了解成气过程中微生物的种类、生长特性及菌群特征是展开生物成因煤层气研究的首要条件。生物成因煤层气在一系列微生物的共同作用下形成，其中一些在生物成气过程中起关键作用的微生物已经成功分离，但从目前的资料报道可以看出，人们很少对分离的微生物进行深入研究，这些微生物的具体代谢过程并不清楚，它们的代谢中间产物及最终产物也没有分析。因此，要阐明煤层生物成因煤层气的生成机理，我们应明晰在成气过程中有哪些微生物参与其中?它们在整个微生物菌群中有怎样的组成比例关系?同时，还需要加快煤层微生物的分离和纯化，并对这些微生物的生态特性和生理特征进行深入研究，明确这些微生物代谢过程中具体调控方式。随着宏基因组测序技术和代谢工程学科的发展，这些内容将逐步得到揭示。

(4)产甲烷菌是生物成因煤层气生成过程中关键的微生物类型，提高产甲烷菌的活性即可增加生物甲烷的产量。利用物理或化学诱变剂处理已分离的产甲烷菌菌株，设计高效筛选方案，可分离到具有更高生物活性的产甲烷菌。甲烷的形成需要多种生物酶的作用，辅酶M还原酶催化的反应是其中的限速步骤，也是控制甲烷生成的最后一步。提高辅酶M还原酶的活性或增加其在产甲烷菌中的拷贝数是提高甲烷生成量的一种有效方法，这就要求我们要对产甲烷菌进行分子生物学和基因工程研究，构建产甲烷基因工程菌，从而提高甲烷产量。

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Research Status on Biogenic Coalbed Methane and Discussion on the Present Issues for Coalbed Methane

LIU Jianmin1，2，3，WANG Baoyu1，3，TIAN Yongdong1，3，BAI Jianping1，3，LI Shengqi1，3，HU Bin2
(1.Jincheng Anthracite Mining Group，Shanxi 048006;2.Institute of Resources and Environment，Henan Polytechnic University，Henan 454000;3.Shanxi Key Laboratory of Biological Gasification of Coal，Jincheng Anthracite Mining Group，Shanxi 048006)

Biogenic coalbed methane included primary coalbed methane and secondary coalbed methane.Secondary coalbed methane，extensive distributied in major coal producing countries，is the emphasis of the biogenic coalbed methane research.The article reviews the following aspects:coalbed methane types are differentiated according to the stable isotopic composition of methane and vitrinite reflectance of coal.The formation mechanism of biogenic coalbed methane is the key research issue，and researchers have attempted lab and subsurface stimulation of the naturally slow process of methanogenic degradation of coal.A large amount of microbes and enzymes are isolated successfully.The studies on the metabolites of coal degradation can illustrate the mation mechanism of biogenic coalbed methane.Furthermore，the yield of coalbed methane would increase through the use of methanogen gene engineering.

Biogenic coalbed methane;isotopes;formation mechanism;metabolites;gene engineering

国家自然科学基金资助项目 (41202113);山西省基础研究计划 (煤层气联合研究基金)资助项目 (2012012013);中国博士后科学基金第52批资助项目 (2012M520599)

刘建民，男，讲师，博士，主要从事地质微生物和煤层气增产工艺研究。

(责任编辑 韩甲业)